DE3785837T2 - Verfahren zur herstellung eines iii-v-halbleiterbauelementes. - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines iii-v-halbleiterbauelementes.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei Verfahren zur Herstellung von III-V Halbleiterbauelementen - z.B. bipolaren und Feldeffekttransistorbauelementen oder Verbesserungen, die sich auf derartige Verfahren beziehen. Es wird insbesondere Bezug auf Galliumarsenid (GaAs )/Galliumaluminiumarsenid- (GaAlAs) bipolare Heterostruktur-Transistoren genommen. dere III-V Homostruktur- und Heterostrukturmaterialien werden jedoch auch als weitere Bauelementtypen erwähnt.
- Die theoretischen Vorteile des Leistungsvermögens von Galliumarsenid (GaÄs)/Galliumaluminiumarsenid(GaAlAs) III-V bipolaren Transistoren gegenüber ihren Siliciumgegenstücken sind allgemein bekannt. Gegenwärtig sind jedoch höhere Geschwindigkeiten für bipolare Schaltungen für Siliciumbauelemente erzielt worden. Für diese Diskrepanz gibt es einen Grund: Die hochgradig fortgeschrittene Siliciumtechnologie ermöglicht die Fabrikation von Bauelementen außerordentlich geringer Abmessungen, die bislang mit gegenwärtigen GaAs-Verfahren nicht erzielbar ist. Insbesondere repräsentiert das "Super Self-Aligned"-Verfahren (Sakai T., et al., "Prospects of SSI technology for high speed LSI", IEDM 1985, Tech. Dig., Seite 18) den Stand der Technik Für Silicium.
- Es gibt beträchtliche Hindernisse bei der Realisation eines derartigen Verfahrens bei GaAs; Silicium hat inhärente Vorteile wie ein natives Oxid, die Möglichkeit der Aufwachsung polykristallinen Siliciums für verlängerte Kontakte und die Fremdatomeindiffusion, sowie eine gemeinsame Kontaktmetallurgie für p- und n-Regionen. Veröffentlichte Verfahren für eine Selbsteinstellung (Self-Alignment) von GaAs/GaAlAs bipolaren Bauelementen (vgl. Asbeck P.M. "Heterojunction Bipolar Transistors", IEDM 1985, Kurzcurriculum: Digital III-V Bauelement und Schaltungstechnologie", Curriculumanmerkungen Seite 114, und Izawa T., et al. "AlGaAs/GaAs-Heterojunction Bipolar Transistors", IEDM 1985, Tech. Dig., Seite 328) waren durch Schwierigkeiten, die beim Kontaktieren der Basisschicht involviert waren, infolge der Notwendigkeit beeinträchtigt, jedwede parasitäre Ga As/GaAs Homoübergangs- oder Homojunction-Regionen zwischen Emitter und Basis zu beseitigen. Die Erzielung eines geringen Kontaktwiderstandes am Emitter ist auch problematisch. Die größenmäßige Festlegung auf für self-aligned Siliciumbauelement (siehe oben) typische Dimensionierungen präsentiert große Probleme in diesen Methoden.
- Im Artikel mit dem Titel "AlGaAs/GaAs-Heterojunction Bipolar Transistors", veröffentlicht im International Electron Devices Neeting, 1. bis 4. Dezember 1985, Washington DC: IEEE, USA; Technical Digest, Seiten 328-331, offenbaren T. Izawa et al einen bipolaren Transistor mit einer Seitenwandisolationsstruktur.
- Ein Artikel mit dem Titel "GaAs/(GaAl)As-Heterojunction Bipolar Transistors", veröffentlicht in IEEE Electron Device Letters, Band EDL-7, Nr. 1, Januar 1986, IEEE, New York, USA; Seiten 8-10, offenbaren M.F. Chang et al ein Self-aligned Heterojunction-Bipolartransistorverfahren, welches eine Ionenimplantation zur Reduzierung des Basiswiderstandes umfaßt. Mit dieser Substitutionsemittertechnik werden die Basisimplantations- und Emitterkontaktmuster mit derselben Maske definiert.
- Die vorliegende Erfindung ist als eine Abhilfsmaßnahme gegen die oben dargelegten Probleme gedacht und liefert ein Verfahren, das dazu geeignet ist, hochgradig selbstausgerichtete bzw. self-aligned Bauelemente mit kleiner Auslegungsgeometrie zu schaffen, d.h. Bauelemente, die so bezüglich Geometrie und Abmessungen vergleichbar den Siliciumbauelementen aus dem Stand der Technik sind.
- Gemäß der Erfindung wird demgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines III-V-Halbleiterbauelements vorgesehen, welches Verfahren die Scnritte aufweist:
- Vorsehen elier III-V-Halbleiterstruktur (FIG. 1);
- Ausbilden einer Naskierungsschicht aus einem isolierenden Material auf einem ausgewählten Bereich einer exponierten Oberfläche dieser Struktur;
- Anwenden einer Ätzung zur Entfernung von an den maskierten selektierten Bereich angrenzendem Material zur Definition einer Stufe, die eine maskierte obere Fläche, eine Seitenwand und eine untere Fläche aufweist;
- Ausbilden einer weiteren und konformen Schicht aus isolierendem Material auf dem isolierenden Material, der Seitenwand der Stufe und der unteren Fläche der Stufe;
- Anwenden einer anisotropen Ätzung zur Entfernung des die untere Fläche der Stufe bedeckenden isolierenden Materials, während das die obere Fläche und die Seitenwand der Stufe bedeckende isolierende Material zurückgelassen wird;
- Aufwachsen einer Schicht aus gitterangepaßtem Material auf der unteren Fläche der Stufe, wobei die Schicht eine erste ausgedehnte Kontaktregion liefert und die Oberfläche dieser aufgewachsenen Schicht unter der oberen Fläche der Stufe liegt;
- Ausbilden einer Abdeckschicht aus isolierendem Material auf der Oberfläche der aufgewachsenen Schicht; Entfernen der Maskierungsschicht aus isolierendem Material, um die obere Fläche der Stufe freizulegen und
- Ausbilden einer zweiten ausgedehnten Kontaktregion, die über der oberen Fläche der Stufe liegt und in Kontakt mit dieser ist.
- In der zuvor erwähnten Weise wird eine Isolation zwischen dem ersten und zweiten ausgedehnten Kontakt mittels aufgewachsenem isolierendem Material erzielt. Auch wird eine Isolation zwischen dem zuvor erwähnten Strukturmaterial und dem ersten ausgedehnten Kontakt durch das Seitenwandisolationsmaterial erbracht, das folgend auf die anisotrope Ätzung verbleibt.
- Im zuvor erwähnten Verfahren und insbesondere für die Herstellung bipolarer Transistoren kann dem Wachstumsvorgang des gitterangepaßten Materials für die Bildung des ausgedehnten Kontakts eine Maskenimplantation vorausgehen, wobei dieser Schritt wesentlich ist, um eine elektrische Kontinuität zu einer beerdigten Basisschicht, einem Teil der Struktur, zu erbringen.
- Die Zusammensetzung der III-V-Halbleiterstruktur- Isolationsmaterialien und Materialien der ausgedehnten Kontakte kann, wie äeweils geeignet, in Abhängigkeit vom Bauelementtyp und der Anwendung variiert werden. Alternativen werden in der nun folgenden Beschreibung in Betracht gezogen.
- Dieser Beschreibung liegen Zeichnungen bei:
- FIG 1 bis 7 sind Querschnittsansichten, die die Heterostruktur-Geometrie bei aufeinanderfolgenden Stufen eines Verfahrens zeigen, das gemäß der vorliegenden Erfindung angewandt wird, wobei dasselbe zu einem bipolaren Transistorbauelement führt;
- FIG. 8 ist eine Querschnittsansicht eines entsprechend hergestellten bipolaren Transistors;
- FIG. 9 ist eine Querschnittsansicht, die Alternative im obigen Verfahren eingesetzte Schritte verdeutlicht;
- FIG. 10, 11 und 12 zeigen in einer Ansicht von oben und im Querschnitt einen bipolaren Transistor modifizierter Auslegung und
- FIG. 13 und 14 sind Querschnittsansichten, die die Halbleiterstruktur-Geometrie am Beginn und Ende eines Verfahrens zeigen, das auf die Herstellung eines Feldeffekttransistors angewandt wird.
- Damit diese Erfindung besser verstanden wird, werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, und es wird Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen. Die Beschreibung, die folgt, erfolgt lediglich mittels Beispielen.
- Das folgend beschriebene Verfahren gestattet die Herstellung sämtlicher aktiver Bereiche und von Kontakten an diesen Bereichen eines Transistors unter Anwendung eines einzigen Maskierungsschritts; eine zweite Maske definiert den Basis-Kollektor-Übergangsbereich mit einer einzigen Ausrichtung. Die Schritte der Bauelementherstellung können wie folgt sein (bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen):- Die Ausgangsmaterialstruktur für das Verfahren ist eine konventionelle GaAs/GaAlAs bipolare Epitaxialheterostruktur (eine typische Konfiguration 1 ist in FIG. 1 gezeigt). Die gezeigte Ausgangsstruktur 1 umfaßt ein Substrat 3 aus kristallinem halbisolierendem Galliumarsenidmaterial, das eine Folge von epitaxial aufgewachsenen Schichten trägt, die zum Vorsehen einer n-p-n Vertikaltransistorstruktur angeordnet sind. Diese umfaßt eine oder mehrere n-Kollektorschichten 5, nämlich eine dotierstoffangereicherte (n&spplus;&spplus;) Schicht 7 und eine leichtdotierte (n&supmin;) Schicht 9, beide-aus Galliumarsenidmaterial. Diese Schichten 7, 9 sind durch eine Basisschicht 11 aus dotierstoffangereichertem p (p&spplus;)-Galliumarsenidmaterial bedeckt, das ganz oben auf Galliumaluminiumarsenidmaterial abgestuft ist. Diesem folgen Emitterschichten 13, nämlich eine n-Galliumaluminiumarsenidschicht 15 und eine dotierstoffangereicherte n (n&spplus;&spplus;)-Galliumarseniddeckschicht. (Es sei angemerkt, daß andere strukturelle Anordnungen verwendet werden könnten, beispielsweise solche zum Vorsehen einer vertikalen p-n-p-Transistorstruktur, sowie auch komplexer geschichtete Strukturen, z.B. n-p-n-p; p-n-p-n; p-n-p-n-p-n und n-p-n-p-n-p als Bestandteil für komplementäre n-p-n und p-n-p Transistorstrukturen.)
- Diese Struktur 1 wird mit einem Siliciumdioxid (Silox)-Dielektrikum-19 und einer photolithographischen Photoresist- 21-Naskierungsstufe beschichtet, die benutzt wird, um ein Merkmal 23 zu definieren. Diese Stufe oder dieser Schritt bestimmt die Emitterbreite W des fertigen Bauelements. Das Silox 19 wird dann (mit dem noch vorhandenen photoresistiven Material 21) als Naske benutzt, um die Epischichtstruktur 15, 17 so weit wie die GaAlAs-Region 15 des Emitters 13 (FIG. 2) herunterzuätzen. Ein p-Ionenimplantationsschritt kann dann ausgeführt werden (maskiert durch das photoresistive Material 21), um einen Kontakt 25 an der Basisschicht 11 auszubilden (FIG. 3). In der Struktur wird keine GaAs- Kontaktschicht für die Basis 11 benötigt, da keine Metallisierung direkt angewandt wird; infolgedessen ist kein parasitärer GaAs/GaAs Homojunction oder -übergang vorhanden.
- Nach Entfernung des photoresistiven Materials 21 wird die gesamte Struktur 1 nochmals mit Silox 27 beschichtet. Diese Schicht 27 kann als Einkapselungsmittel zum Annealen des p-Implantats 25 benutzt werden. Ein zweiter Photoresist-29-Maskierungsschritt, ausgerichtet zum geätzten Mesa-Merkmal 23, wird dann angewandt, und es wird ein isolierendes Implantat 31 dazu verwendet, den Basis/Kollektor-Übergangsbereich zu definieren, wobei die Breite W' dieses Bereichs gezeigt ist (FIG. 4). Nach der Entfernung des photoresistiven Materials 29 wird ein hochgradig anisotroper Reaktivionenätzschritt das Silox 27 von der p-GaAlAs 25 Oberfläche entfernen. Der vollständige Emitter 13 wird beschichtet bleiben; die Seitenwände werden durch die anisotrope Ätzung nicht beeinflußt, und der obere Teil weist eine doppelte Dicke des Silox 19, 27 vor der Ätzung auf.
- Der nächste Schritt ist entscheidend für die Bauelementherstellung. Der GaAs-Wafer 1 wird zurück in das Gerät zum epitaxialen Schichtaufwachsen gebracht, und es wird eine p-GaAs kontaktierende Schicht 33 für die Basis 11 aufgewachsen. Bei den korrekten Aufwachsbedingungen wird GaAs nicht auf dem siloxbeschichteten 19, 27 Emitter 13 einer Keimbildung unterliegen. Um eine Isolation zwischen Emitterkontakten und Basiskontakten zu erzielen, wird eine Schicht 35 aus halbisolierendem Material (typischerweise GaAlAs) auf der p-Schicht 33 aufgewachsen. Die Struktur erscheint dann in der in FIG. 5 gezeigten Form. Nach Entfernen aus dem Aufwachsgerät wird eine Ätzung die auf dem Emitter 13 freiliegende Silox-Schicht 19 entfernen; ein weiterer Epitaxialaufwachsschritt wird dann dazu benutzt, eine n-GaAs-Kontaktierungsschicht 37 zu erzeugen (FIG. 6).
- An diesem Punkt sind die aktiven Bereiche des Transistors definiert worden, und es verbleibt nur noch, diese mit metallisierten Kontakten zu versehen. Obwohl das Bauelement selbst sehr klein sein kann, sehen die aufgewachsenen Epitaxialschichten 33, 37 lateral ausgedehnte Kontaktbereiche vor, die dies zu einer relativ einfachen Aufgabe machen. Es gibt hier verschiedene Optionen; eine mögliche Folge ist in den nächsten Figurenfolgen dargelegt. Nach Beschichten der Struktur mit einem n-Kontaktmetall 39 wird eine photoresistive Maske 41 aufgebracht und dazu benutzt, eine den Emitterkontakt definierende Ätzung (FIG. 7) zu maskieren. Dieselbe Maske kann an Ort und Stelle verbleiben, und eine weitere Ätzung gefolgt durch Evaporation des p-Kontaktmetalls 43 wird folgen. Nach dem Ätzen auf der Kollektorschicht 5 zum Anbringen des verbleibenden Kontakts 45 wird eine extrem kompakte Struktur (FIG. 8) gewonnen.
- Diese Transistorstruktur kann größenmäßig auf extrem geringe Abinessungen gebracht werden. Wie dargelegt, beinhaltete der Prozeß einen Ausrichtungsschritt. Eine Strukturart mit einem zweipegeligen resistiven Mittel kann dazu verwendet werden, diese Notwendigkeit zu eliminieren.
- Die FIG. 9 stellt eine derartige Struktur dar, die durch einen einzigen Maskierungsschritt ausgebildet ist. Ein oberer Pegel eines resistiven Mittels 47 definiert das isoiierende Implantat; nach Entfernen dieser Schicht definiert eine zweite resistive Schicht 49 die anderen Merkmale des zum Isolationsschritt selbstausgerichteten bzw. self-aligned Transistors. Dies stellt das Elementare bei der Selbstausrichtung dar; ein einziges Merkmal wird angewandt, und es ist überhaupt keine Ausrichtung erforderlich.
- Die FIG. 8 stellt nur eine mögliche Weise dar, in der die selbstausgerichtete Struktur kontaktiert werden kann. Mit einem Transistor dieser Abmessung wird der Arbeitsstrom gering sein, und es ist wahrscheinlich, daß der Widerstand der aufgewachsenen p- Schicht ausreichend gering ist, um zu ermöglichen, daß diese den Basisstrom ohne die Notwendigkeit eines Metallstreifens führt. Dies ermöglicht, daß eine noch kleinere Strukturart hergestellt werden kann. Eine geeignete Anordnung kann der in den FIG. 10, 11 und 12 dargestellten entsprechen.
- Das gerade beschriebene Verfahren dient dazu, geometrisch ultrakleine GaAs/GaAlAs bipolare Bauelemente zu schaffen, und dies ist die unmittelbare Anwendung. Jedoch ist diese Art der Kontaktierungstechnik nicht auf die bipolare Struktur beschränkt. Andere Materialien und andere Bauelemente können auch von den extrem geringen Abmessungen profitieren, die durch die ausgedehnte oder erweiterte Kontaktierung möglich sind.
- Das Verfahren kann beispielsweise auf die Herstellung von III-V-Homostruktur- und Heterostrukturfeldeffekttransistorstrukturen angepaßt werden. Dies ist in den FIG. 13 und 14 dargestellt. Dort ist ein halbisolierendes Galliumarsenidsubstrat 3 so vorgesehen, daß es eine epitaxial aufgewachsene undotierte Galliumarsenidschicht 9 hoher Mobilität und eine stark dotierte Galliumaluminiumarsenidschicht 15 geringer Mobilität aufweist. In diesem Anfangsstadium der Herstellung wird ein Mesa-Merkmal wie zuvor ausgebildet. Die Tiefe des Mesas erstreckt sich nicht unterhalb der Dicke der Galliumaluminiumarsenidschicht 15. Im Verlauf dieses Verfahrens ist ein n-Dotierstoff implantiert worden (vgl. Dotierregionen 51), und es sind n-dotierte angereicherte ausgedehnte Kontakte 53 für die Source- und Drain-Region dieses Transistors ausgebildet worden. Ein weiterer ausgedehnter Kontakt - ein Metall-Schottky- Kontakt 55 ist auch vorgesehen. Auf diese Weise wird ein kompakter p-Kanaltransistor hoher Elektronenmobilität (HEMT) hergestellt. Wie oben wird die Isolation durch die Seitenwandisolation 27 und das aufgewachsene Isolationsmaterial 35 geliefert.
- Obwohl beispielhalber die GaAs/GaAlAs-Materialien beschrieben wurden, besteht keinerlei Grund, warum andere Halbleiter nicht eingesetzt werden könnten; beispielsweise könnten Bauelemente für InP/GaInAs-Materialsysteme hergestellt werden. Es ist auch möglich, daß eine Mischung von Halbleitern eingesetzt würde - beispielsweise könnte der ausgedehnte p-Kontakt, aufgewachsen auf dem GaAlAs, anstelle GaAs Germanium sein (Germanium ist eine gute Gitteranpassung). In diesem Fall wäre es möglich, einen geringeren Kontaktschichtwiderstand und eine geringere Kontaktwiderstandsfähigkeit zu erzielen. InAs oder GaInAs sind andere alternative Materialien für die Kontaktschicht auf der GaAs-Schicht.
- Das oben beschriebene Verfahren benutzte eine abschließende n-Epitaxialaufwachsung für die Emitterkontaktierung; eine Alternative (auf Kosten des Bauelementleistungsvermögens) könnte realisiert werden, falls ein Metallisierungsschritt für ohmsche Kontakte stattdessen an diesem Punkt ausgeführt würde (oder ein hochschmelzender ohmscher Kontakt, der vor dem Aufwachsen des ausgedehnten p-Kontakts abgeschieden würde). Dies könnte eine Zwischenstruktur liefern, die im Verfahren in Richtung auf eine vollständige Verfahrensimplementation mit sehr hohe beistungsfähigkeit von Nutzen wäre.
- Andere Komponentenmaterialien des Verfahrens könnten geändert werden; das hier verwendete dielektrische Material ist Silox, jedoch könnten gleichermaßen andere Dielektrika eingesetzt werden (z.B. Aluminiumoxid, Siliciumnitrid).
- Das epitaxiale Aufwachsen des Emitters während des Basiskontaktschichtaufwachsens wird durch die Silox-Schicht (oder andere dielektrische Schicht) unterdrückt; es ist jedoch auch möglich, daß dieses Aufwachsen toleriert werden könnte, vorausgesetzt, es würde später beseitigt. Dies könnte beispielsweise durch die Anwendung sorgfältiger Ätzung einer planarisierenden Schicht erzielt werden, die über der gesamten Struktur aufgebracht würde; der Emitter, ein angehobenes Merkmal, würde zuerst freigelegt, und die darüberliegende Schicht könnte dann abgeätzt werden.
- Ein isolierendes implantat wird als Mittel zur Definition des Basis-Kollektor-Übergangsbereichs zitiert. Es sind andere Verfahren einschließlich Ätzen, Aufwachsen nativer Oxide oder möglicherweise epitaxiales Selektivbereichsaufwachsen des Übergangs während der Herstellung der bipolaren Epischichtstruktur möglich. Das isolierende Implantat vermeidet Schwierigkeiten, die mit diesen Techniken verknüpft sind, wie Nichtplanarität der Oberfläche und die Notwendigkeit, Basis und Kollektor zu isolieren.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung eines
III-V-Halbleiterbauelements, welches Verfahren die Schritte umfaßt:
Vorsehen einer III-V-Halbleiterstruktur;
Ausbilden einer Maskierungsschicht aus einem
isolierendem Material (19) auf einem ausgewählten Bereich einer
exponierten Oberfläche dieser Struktur;
Anwenden einer Ätzung zur Entfernung von an den
maskierten selektierten Bereich angrenzendem Material zur
Definition einer Stufe (23) die eine maskierte obere Fläche,
eine Seitenwand und eine untere Fläche aufweist;
Ausbilden einer weiteren und konformen Schicht (27) aus
isolierendem Material auf dem isolierenden Material, der
Seitenwand der Stufe und der unteren Fläche der Stufe;
Anwenden einer anisotropen Ätzung zur Entfernung des die
untere Fläche der Stufe bedeckenden isolierenden Materials,
während das die obere Fläche und die Seitenwand der Stufe
bedeckende isolierende Material zurückgelassen wird;
Aufwachsen einer Schicht (33) aus gitterangepaßtem
Material auf der unteren Fläche der Stufe, wobei die Schicht
(33) eine erste ausgedehnte Kontaktregion liefert und die
Oberfläche dieser aufgewachsenen Schicht unter der oberen
Fläche der Stufe liegt;
Ausbilden einer Abdeckschicht (35) aus isolierendem
Material auf der Oberfläche der aufgewachsenen Schicht
(33); Entfernen der Maskierungsschicht aus isolierendem
Material (19), um die obere Fläche der Stufe freizulegen;
und Ausbilden einer zweiten ausgedehnten Kontaktregion
(37), die über der oberen Fläche der Stufe liegt und in
Kontakt mit dieser ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die
III-V-Halbleiterstruktur aus Galliumarsenid- und
Gallium-Aluminiumarsenidmaterialien besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, in welchem die Struktur die
folgenden Schichten umfaßt:
eine halbisolierende Substratschicht aus Galliumarsenid;
gefolgt von zumindest einer Schicht aus n-Galliumarsenid;
gefolgt von einer Schicht aus p-Gallium-Aluminiumarsenid
und gefolgt von zumindest einer Schicht aus
n-Galliumarsenid.
4. Verfahren nach Anspruch 3, in welchem die erste
ausgedehnte Kontaktregion aus einem der leitenden, dotierten
Materialien: Galliumarsenid oder Germanium besteht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, in welchem
die zweite ausgedehnte Kontaktregion aus einem der
leitenden, dotierten Materialien: Galliumarsenid, Indiumarsenid
oder Gallium-Indiumarsenid besteht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in
welchem das isolierende Material aus der folgenden Gruppe
von isolierenden Materialien ausgewählt wird: Siliziumoxid,
Siliziumnitrid und Aluminiumoxid.
7. Verfahren nach Anspruch 2, in welchem die Struktur die
folgenden Schichten umfaßt:
eine Substratschicht aus halbisolierendem
Galliumarsenid; gefolgt von einer Schicht aus
Intrinsic-Galliumarsenid und gefolgt von einer Schicht aus
n-Gallium-Aluminiumarsenid.
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